萬峰礦煤層瓦斯抽采鉆孔濃度提升技術(shù)研究

李東棟

(山西金暉萬峰煤礦有限公司, 山西 孝義 032300)

1 前言

煤炭作為我國基礎(chǔ)性礦產(chǎn)資源和主體性能源材料,其在我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重始終超過50%[1]。隨著開采深度的不斷增加,煤層瓦斯含量、瓦斯壓力逐步增大,透氣性系數(shù)降低。且受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動影響,煤層煤體原生裂隙被破壞,煤質(zhì)變軟、穩(wěn)定性變差,瓦斯抽采難度大、抽采效果欠佳的問題普遍存在,嚴(yán)重制約著煤礦安全發(fā)展。因此,目前我國煤礦安全工作的首要任務(wù)是治理瓦斯,通過優(yōu)化抽采技術(shù)將瓦斯隱患降低到可控程度[2]。

利用鉆孔抽采瓦斯,降低回采工作面產(chǎn)生過程的瓦斯?jié)舛仁穷A(yù)防瓦斯事故、確保礦井安全生產(chǎn)的重要手段,眾多學(xué)者為提高瓦斯抽采濃度及礦井抽采率開展相關(guān)研究。劉振杰等[3]提出高位定向長鉆孔對裂隙瓦斯進(jìn)行抽采,現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明可顯著降低回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛?接抽期間瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.56%以內(nèi)。解俊祥[4]利用動壓封孔效果,自制管路流變器,總結(jié)工作面抽采效果的提高、下降的內(nèi)在關(guān)系,為高瓦斯煤層提高抽采濃度指出了方向。李成成等[5]提出割縫封孔提濃方法,開展超高壓力水力割縫,研究表明鉆孔平均抽采濃度為70.7%,抽采純量相較割縫前提升了296%。穆春明等[6]提出簡易膠囊封孔、鉆孔修復(fù)及低負(fù)壓抽采等優(yōu)化技術(shù),現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明:簡易膠囊封孔組較正常抽采組瓦斯?jié)舛绕?鉆孔修復(fù)組和低負(fù)壓抽采組較正常抽采組瓦斯?jié)舛扔忻黠@提高。王雨生[7]認(rèn)為高位巷瓦斯抽采濃度及瓦斯抽采量與工作面回采推進(jìn)都呈正比,即工作面回采推進(jìn)度越快,瓦斯抽采濃度和抽采量越大,反之越小。周西華等[8]認(rèn)為抽采濃度隨抽采負(fù)壓升高呈先升高后降低的趨勢,抽采負(fù)壓為35kPa時抽采濃度最高。尹燦偉等[9]通過在線檢漏、堵漏及抽采鉆孔“二次封孔”措施有效解決瓦斯?jié)舛绕偷膯栴}。徐愛國[10]通過“一疏放、二選擇、三封堵、四檢調(diào)”措施提高瓦斯抽采效果。胡志華[11]為解決礦井工作面高濃度瓦斯影響采面安全生產(chǎn)的問題,采用高位鉆孔將采空區(qū)瓦斯抽排到地面,并得到鉆孔最佳仰角范圍。高會國等[12]采用底板穿層鉆孔動態(tài)自適應(yīng)封孔技術(shù),通過現(xiàn)場試驗(yàn)表明“動態(tài)自適應(yīng)”封控方法可有效提高瓦斯抽采效果。張佳龍[13]的現(xiàn)場考察結(jié)果表明:囊袋式新型兩堵一注一體化封孔器不僅簡化了封孔工藝,同時使鉆孔抽采效果大幅度提高。史晉平[14]認(rèn)為高水膨脹材料封孔具有瓦斯流量大、濃度高、衰減慢的優(yōu)勢,提高了鉆孔密閉性,具有較好的瓦斯抽采效果。李文斌[15]認(rèn)為簡易膠囊封孔、低負(fù)壓抽采及高壓水力修復(fù)鉆孔工藝可使鉆孔瓦斯抽采量和抽采效率大幅提升。

為進(jìn)一步優(yōu)化萬峰礦瓦斯抽采效果,在1213進(jìn)風(fēng)口采用“兩堵一注一排”的封孔工藝、“DN150匯流”連孔方式及瓦斯抽采支管放水器等技術(shù)途徑提高瓦斯抽采濃度,對提高抽采鉆孔封孔質(zhì)量、瓦斯高效抽采及指導(dǎo)煤礦瓦斯災(zāi)害防治工作具有借鑒指導(dǎo)作用。

2 工程概況

萬峰礦位于山西省霍西煤田汾孝礦區(qū)東部,主體企業(yè)是山西金暉煤焦化工有限公司。萬峰礦設(shè)計生產(chǎn)能力120萬t/年,設(shè)計服務(wù)年限69.8年。批準(zhǔn)開采煤層1～11號煤層,其中1號、9號、10+11號煤層全井田可采,3號、5號煤層局部可采。目前,萬峰礦批準(zhǔn)開采1號煤層,埋深600～680 m,煤層厚1.03～2.37 m,平均1.54 m,結(jié)構(gòu)簡單,一般中下部含一層夾石,局部含三層夾石,頂?shù)装鍨樯百|(zhì)泥巖。萬峰礦煤層瓦斯賦存不均衡,屬于近距離煤層群?？傮w上呈西南部瓦斯較低,東北部較高。1號煤鄰近層情況及各煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)見表1、表2。1號煤屬于可以抽采煤層。抽采時間為30 d時,鉆孔有效抽采半徑取3 m。

表1 1號煤層鄰近層情況表

表2 1號煤及其上下鄰近層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)

3 單孔濃度提升

瓦斯抽采系統(tǒng)中,抽采鉆孔封孔質(zhì)量直接影響抽采濃度,質(zhì)量差極易造成漏氣,降低抽采瓦斯?jié)舛燃巴咚钩椴闪?致使礦井安全生產(chǎn)事故發(fā)生。故應(yīng)開展針對性試驗(yàn),找到鉆孔參數(shù)最優(yōu)組合,優(yōu)化封孔技術(shù)及工藝,提高封孔質(zhì)量最終提高抽采鉆孔的抽采量。

3.1 封孔工藝

1)“兩堵一注一排”封孔

將舊式的“兩堵一注”封孔方式更改為新的“兩堵一注一排”封孔。使用FKJL-50/1.5礦用封孔器和專用封孔水泥進(jìn)行封孔,增加封孔氣密性,強(qiáng)化封孔質(zhì)量。新的“兩堵一注一排”創(chuàng)新點(diǎn)有以下兩個方面:(1)通過高壓注漿使鉆孔周圍的裂隙得到充填,填實(shí)鉆孔周圍的煤體,致使鉆孔得到可靠的加固,保證鉆孔的穩(wěn)定,抑制鉆孔周圍新的裂隙產(chǎn)生;(2)通過高壓雙排的設(shè)計,可排出鉆孔的水和注漿材料的水,提高封孔材料與水的比例,保證封孔材料的膨脹性,增強(qiáng)鉆孔穩(wěn)定性,從而實(shí)現(xiàn)多層多段帶壓式封孔,致使封孔嚴(yán)密。

2)試驗(yàn)比對

針對封孔工藝,在萬峰煤礦1213進(jìn)風(fēng)巷道進(jìn)行封孔試驗(yàn)。試驗(yàn)為確保結(jié)果真實(shí)可靠,排除一切不可控因素,特將試驗(yàn)分為A、B、C、D、E五個實(shí)驗(yàn)組,相鄰5個孔為一個對照組,完成了3個對照組;A組鉆孔使用新的FKJL-50/1.5封孔器和新的高強(qiáng)微膨脹專用注漿水泥進(jìn)行封孔。B組鉆孔使用新的FKJL-50/1.5封孔器和舊的普通425水泥加膨脹劑進(jìn)行封孔。C組鉆孔使用舊的FKJW-50/0.6封孔器和新的高強(qiáng)微膨脹專用注漿水泥進(jìn)行封孔。D組鉆孔使用舊的FKJW-50/0.6封孔器和舊的普通425水泥加膨脹劑進(jìn)行封孔。E組鉆孔使用舊的FKJW-50/0.6封孔器和專用封孔水泥加舊的普通425水泥進(jìn)行封孔(兩種水泥配比為1∶1)。

選取本煤層瓦斯抽采鉆孔A14-10#孔為A1號試驗(yàn)孔,A15-1#孔為B1號試驗(yàn)孔,A15-2#孔為C1號試驗(yàn)孔,A15-3#孔為D1號試驗(yàn)孔,以上四個孔為第一組對照組,A15-4#孔為A2號試驗(yàn)孔,以此類推。下管長度21 m,封孔長度15 m,封孔壓力1.5 MPa以上;封孔數(shù)據(jù)見表3。鉆孔封好后及時進(jìn)行連接抽采,于次日開始每日檢測鉆孔參數(shù)并制作臺賬,數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 1213進(jìn)風(fēng)口實(shí)驗(yàn)孔濃度變化圖

表3 1213進(jìn)風(fēng)巷道實(shí)驗(yàn)孔

在萬峰礦1213進(jìn)風(fēng)巷道經(jīng)過20 d的封孔試驗(yàn),對比A、B、C、D、E五組可知:新型“兩堵一注一排”封孔效果明顯優(yōu)于舊的“兩堵一注”:新型“兩堵一注一排”的封孔,鉆孔濃度普遍在70%以上,舊的“兩堵一注”封孔鉆孔濃度不穩(wěn)定,最低降至9%。新型“兩堵一注一排”封孔瓦斯?jié)舛人p率也大幅度降低,“兩堵一注一排”封孔20 d后開始出現(xiàn)衰減,普通“兩堵一注”7 d后開始出現(xiàn)衰減。抽采分析見表4。

3.2 DN150匯流

1)舊的“氣水分離”連孔工藝

流程:封孔管距孔口留150 mm長度連孔距離,封孔管連接抽放彎頭(彎頭朝總回方向,與底板平行),抽放彎頭連接閥門,閥門連接200 mm短節(jié),短節(jié)連接φ63 mm導(dǎo)流管,導(dǎo)流管連接300 mm短節(jié),短節(jié)連接抽放三通(三通口為垂直底板方向),抽放三通將抽放軟管分流為匯流管(上)與匯水管(下),三通上下短節(jié)為400 mm,匯流管與匯水管保持平行,距離為850 mm。具體如圖2 所示。

圖2 “氣水分離”連孔工藝連孔示意圖

2)DN150匯流——分單元計量

流程:DN50封孔管距孔口留150 mm長度連孔距離,封孔管連接φ50 mm變φ63 mm變頭,再接φ63 mm抽放彎頭(彎頭朝底板,與底板垂直),抽放彎頭連接取樣閥門,閥門連接300 mm至500 mm的φ63 mm短節(jié),φ63 mm短節(jié)連接φ150 mm異形三通至φ150 mm匯流管,匯流管向放水器微斜,將整單元300 m鉆孔連抽至φ315 mm主管路,φ150 mm瓦斯管低洼點(diǎn)處安裝放水器,整組加設(shè)在線監(jiān)控及人工計量裝置。具體如圖3所示。

圖3 “DN150匯流”工藝示意圖

舊的“氣水分離”連孔接頭較多,容易漏氣,外觀繁雜,不易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。DN150匯流外觀簡單大方標(biāo)準(zhǔn),抽采量大,不易漏氣。將舊式的“氣水分離”更改為“DN150匯流”,連孔管接頭由15個減少到6個,極大減少了連孔漏氣,增大了匯流管直徑,提高了抽采流量,實(shí)現(xiàn)了抽采分單元精確計量。

3.3 通孔

鉆孔施工完畢立即封孔連抽,并檢測鉆孔初始濃度,對無抽采濃度的鉆孔安排專人進(jìn)行通孔,第三天對新鉆孔抽采濃度再次檢測查驗(yàn),防止新連抽鉆孔孔內(nèi)鉆渣堵孔,發(fā)現(xiàn)問題鉆孔立即安排專人處理。

3.4 排查

每周對所有鉆孔進(jìn)行全面排查檢測,測量鉆孔的瓦斯抽采濃度、負(fù)壓、流量、一氧化碳參數(shù),對異常鉆孔進(jìn)行通孔、查漏氣等手段進(jìn)行處理,對抽采時間超過90 d的且濃度低于10%的鉆孔進(jìn)行關(guān)控。

現(xiàn)單孔濃度一般可以維持在70%上下,可維持3個月,較以前1213進(jìn)風(fēng)抽采,單孔濃度提升了20%,持續(xù)時間延長了2個月。

4 支管濃度提升

4.1 放水

在瓦斯抽采支管的每個低洼點(diǎn)、拐彎處、溫度突變處安設(shè)放水器進(jìn)行放水。1306進(jìn)回風(fēng)推廣使用了自動放水器,現(xiàn)已在管路及鉆孔易積水點(diǎn)安設(shè)自動放水器20臺,減少了管路積水對瓦斯鉆孔抽采造成的影響,提高了抽采效率。

4.2 除渣

在每個掘進(jìn)頭聯(lián)巷三岔口瓦斯管路處加設(shè)管路除渣三通(三通內(nèi)焊制過濾鐵網(wǎng)),每月定期對瓦斯管路進(jìn)行除渣,防止抽入瓦斯管路的雜物影響瓦斯抽采。

4.3 花接

對全礦井瓦斯抽采系統(tǒng)進(jìn)行排查,逐段摸排,去除瓦斯管路花接點(diǎn),保證所有瓦斯抽采管路同徑硬連接,確保抽采效率。

現(xiàn)支管濃度一般在35%上下,并且隨連抽鉆孔增加而逐步提升,較以前1213進(jìn)風(fēng)高負(fù)壓瓦斯抽采管路濃度提高15%。

5 結(jié)論

通過以上手段后,礦井高濃度瓦斯抽采提升效果顯著,新型“兩堵一注一排”的封孔鉆孔濃度普遍在70%以上,瓦斯?jié)舛人p率也大幅度降低?！皟啥乱蛔⒁慌拧钡姆饪追绞綄ν咚钩椴摄@孔濃度的提升有顯著效果;瓦斯抽采支管通過“放水-除渣-花接”提升技術(shù)后,支管濃度一般在35%上下,并且隨連抽鉆孔增加而逐步提升。